DE3041818A1 - Semiconductor device for use above intrinsic conductivity temp. - esp. as temp. sensor has majority charge carriers fixed in high ohmic zone - Google Patents
Semiconductor device for use above intrinsic conductivity temp. - esp. as temp. sensor has majority charge carriers fixed in high ohmic zoneInfo
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Abstract
Description
HalbleiterbauelementSemiconductor component
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement für Temperaturen oberhalb des Einsetzens der Eigenleitung mit einem Halbleiterkörper, in dem ein hochohmiges Gebiet von einem Leitungstyp an ein erstes und an ein zweites kontaktiertes, niederohmiges Gebiet vom gleichen Leitungstyp grenzt.The invention relates to a semiconductor component for temperatures above the onset of the intrinsic conduction with a semiconductor body in which a high-resistance area of one line type to a first and to a second contacted, low-resistance area of the same line type borders.
Ein solches, vorzugsweise auf der Basis von hochohmigen Siliziummaterial hergestelltes, Bauelement kann insbesondere als Temperatursensor Anwendung finden, bei dem der Widerstand über einen weiten Bereich wenigstens nahezu mit der Temperatur ansteigt. Der ausnutzbare Temperaturbereich ist jedoch begrenzt durch das Einsetzen der Eigenleitung; dann fällt der Widerstandswert mit zunehmender Temperatur stark ab.Such, preferably based on high-resistance silicon material manufactured component can be used in particular as a temperature sensor, in which the resistance over a wide range at least almost with the temperature increases. However, the usable temperature range is limited by the onset the self-conduction; then the resistance value drops sharply with increasing temperature away.
Die ausgenutzte Temperaturabhängigkeit des Widerstandes wird ausschließlich bestimmt von der Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeit der Ladungsträger; diese nimmt mit wachsender Temperatur ab. Im niedrigeren Temperaturbereich ergibt sich bei nicht zu hohen Strömen in beiden Polungsrichtungen der gleiche Widerstand. In dem Gebiet oberhalb einer bestimmten Temperatur, bei Silizium z.B. 120 bis 1500C, wird der Materialwiderstand zunehmend vom Anteil der Eigenleitung bestimmt. Je geringer die Grunddotierung ist, umso eher macht sich die Eigenleitung bemerkbar. Die Elektronen- und Löcher-Konzentrationen steigen mit wachsender Temperatur rasch exponentiell an, und dementsprechend fällt der Materialwiderstand zu höheren Temperaturen hin in erster Näherung exponentiell ab.The temperature dependence of the resistance is used exclusively determined by the temperature dependence of the mobility of the charge carriers; these decreases with increasing temperature. In the lower temperature range results the same resistance in both polarity directions if the currents are not too high. In the area above a certain temperature, for silicon e.g. 120 to 1500C, the material resistance is increasingly determined by the proportion of intrinsic conduction. The lower the basic doping is, the sooner the intrinsic conduction becomes noticeable. The electron and hole concentrations increase exponentially rapidly with increasing temperature on, and the material resistance falls accordingly at higher temperatures exponentially in a first approximation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement zu schaffen, das auch für Temperaturen geeignet ist, die oberhalb der Temperatur liegen, bei der normalerweise durch Einsetzen der Eigenleitung der an sich erwünschte Anstieg des Widerstandes in einen unerwünschten Abfall übergeht.The invention is based on the object of a semiconductor component to create that is also suitable for temperatures that are above the temperature are, in which the normally desired by the onset of self-conduction Rise in resistance turns into an undesirable drop.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung das Verhältnis der effektiven Fläche des Überganges zwischen dem ersten niederohmigen Gebiet und dem hochohmigen Gebiet und der effektiven Fläche des Überganges zwischen dem zweiten niederohmigen Gebiet und dem hochohmigen Gebiet im Hinblick auf den das Bauelement durchfließenden Strom und seine Richtung so gewählt sind, daß sich in dem hochohmigen Gebiet eine solche elektrische Feldstärkeverteilung einstellt, daß praktisch alle Minoritätsladungsträger zu dem am negativen Potential liegenden niederohmigen Gebiet abgeführt werden und damit entsprechend viele Majoritätsladungsträger im hochohmigen Gebiet fest gebunden werden und die Eigenleitung weitgehend unwirksam ist.This object is achieved in that in a semiconductor component according to the invention, the ratio of the effective area of the transition between the first low-resistance area and the high-resistance area and the effective area the transition between the second low-resistance area and the high-resistance area chosen with regard to the current flowing through the component and its direction are that there is such an electric field strength distribution in the high-resistance area sets that practically all minority charge carriers to those at the negative potential lying low-resistance area are discharged and thus correspondingly many majority charge carriers are firmly bound in the high-resistance area and the self-conduction is largely ineffective is.
Vorzugsweise ist das Verhältnis der effektiven Flächen der übergänge sehr klein gegen 1 und beträgt z.B. höchstens 1 : 1000.The ratio of the effective areas of the transitions is preferably very small compared to 1 and is, for example, at most 1: 1000.
Bei einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung wird durch das gewählte Verhältnis der effektiven Flächen der Übergänge zwar in der einen Polungsrichtung der bekannte unerwünschte Effekt der Zunahme der Eigenleitung beobachtet. Bei der umgekehrten Polung wird jedoch bis zu einer bestimmten, erheblich höher liegenden Temperatur, die auch abhängig ist von der Höhe des gewählten Stromes und damit von der anliegenden Feldstärke, der Einfluß des Eigenleitungsanteiles ausgeschaltet, und es wird eine weiter in dem erwünschten Maße mit der Temperatur ansteigende Widerstandskennlinie erhalten, da eine asymmetrische Bereitstellung der Ladungsträger des einen Ladungsträgertyps erfolgt. Infolgedessen ergibt sich für die in wesentlich geringer Zahl auftretenden Ladungsträger des einen Typs in der großen Anzahl der Ladungsträger des anderen Typs eine stark ansteigende Rekombinationsrate, und die Leitfähigkeit wird bestimmt aus der durch die n- und p-Dotierung bedingte Differenz, also durch die Grunddotierung und außerdem durch die Beweglichkeit der Majoritätsladungsträger, wobei letztere bis zu einem wesentlich höheren Temperaturbereich überwiegt.In a semiconductor component according to the invention is selected by the Ratio of the effective areas of the transitions in one direction of polarity the known undesirable effect of the increase in intrinsic conduction was observed. In the however, reverse polarity is up to a certain, considerably higher level Temperature, which is also dependent on the level of the selected current and thus on the applied field strength, the influence of the intrinsic line component switched off, and there will be a further to the extent desired the temperature Rising resistance characteristic obtained, since an asymmetrical provision the load carrier of one load carrier type takes place. As a result, it results for the charge carriers of one type in the large number of charge carriers of the other type has a strongly increasing recombination rate, and the conductivity is determined from that caused by the n- and p-doping Difference, i.e. through the basic doping and also through the mobility of the Majority charge carriers, the latter up to a much higher temperature range predominates.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figur näher erläutert, die ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung im Schnitt darstellt.The invention is explained in more detail below with reference to the figure, which represents a semiconductor component according to the invention in section.
Ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung besteht aus einem Siliziumeinkristall-Körper 1, der durch Neutronendotierung n-leitend ist mit einem spezifischen Widerstand von z.B. 5,5 bis 7,5 Ohm.cm entsprechend einer Dotierung von z.B. 6.1014 Phosphoratomen pro Kubikzentimeter. Die in der Zeichnung oben dargestellte Vorderseite ist poliert, während die Rückseite lediglich geschliffen und geläppt ist, so daß sich eine gegenüber den geometrischen Abmessungen vergrößerte effektive Oberfläche auf der Rückseite ergibt.A semiconductor component according to the invention consists of a silicon single crystal body 1, which is n-conductive due to neutron doping with a specific resistance from, for example, 5.5 to 7.5 ohm.cm corresponding to a doping of, for example, 6.1014 phosphorus atoms per cubic centimeter. The front side shown in the drawing above is polished, while the back is merely sanded and lapped so that one is opposite the geometric dimensions increased effective surface on the back results.
Die Kristallgröße beträgt 500/um im Quadrat und die Dicke 240 um. Dieser Kristall ist Teil einer großen flachen Scheibe von z.B. 50 mm Durchmesser, aus der er später durch Sägen oder Brechen abgeteilt wird. Dies ist in der Figur dadurch angedeutet, daß die rechte und linke Begrenzung durch eine unregelmäßige Linie dargestellt sind.The crystal size is 500 µm square and the thickness is 240 µm. This crystal is part of a large flat disk of e.g. 50 mm in diameter, from which it is later cut off by sawing or breaking. This is in the figure indicated by the fact that the right and left delimitation by an irregular Line are shown.
Der Halbleiterkörper 1 wird dann zunächst, z.B. durch thermische Oxidierung, mit einer Isolierschicht 2 versehen. Soweit eine solche Isolierschicht, z.B. aus durch thermische Oxidation erhaltenem SiO>, auch auf der unten darge- stellten Rückseite des Kristalles 1 entsteht, wird sie anschließend wieder entfernt. Die Isolierschicht 2 wird in der Mitte mit einer bis zum hochohmigen Halbleiterkristall 1 reichenden öffnung versehen mit einem Durchmesser von 40/um.The semiconductor body 1 is then initially, e.g. by thermal oxidation, provided with an insulating layer 2. As far as such an insulating layer, e.g. from SiO> obtained by thermal oxidation, also on the posed The back of the crystal 1 arises, it is then removed again. the Insulating layer 2 is in the middle with a high-resistance semiconductor crystal 1 reaching opening provided with a diameter of 40 / µm.
Dies kann mit Hilfe eines bekannten Photoprozesses durchgeführt werden.This can be done using a known photoprocess.
Danach wird der Kristall auf beiden Seiten mit einer Deckschicht aus Phosphorglas <SiO2.x P205) versehen, so daß sich daraus auf der Vorderseite eine bis in die öffnung in der Isolierschicht 2 reichende Deckschicht und auch auf der Rückseite eine entsprechende, nicht dargestellte, Schicht ergibt. Vorzugsweise aus diesen Deckschichten und in Anwesenheit eines n-dotierenden Dampfes, z.B. von Phosphoroxitrichlorid, wird durch Diffusion vor der Öffnung in der Isolierschicht 2 ein erstes niederohmiges Gebiet in Form einer n+-Zone 4 von 3,5/um Dicke erzeugt und gleichzeitig eine entsprechende n+-Zone 24 auf der Rückseite als zweites niederohmiges Gebiet 24 am hochohmigen Halbleiterkristall 1.After that, the crystal is made with a top layer on both sides Phosphor glass <SiO2.x P205) so that a up into the opening in the insulating layer 2 and also on the top layer Rear side results in a corresponding, not shown, layer. Preferably off these top layers and in the presence of an n-doping vapor, e.g. of phosphorus oxitrichloride, a first low-resistance is created by diffusion in front of the opening in the insulating layer 2 Area in the form of an n + zone 4 of 3.5 / μm thickness is generated and at the same time a corresponding one n + zone 24 on the back as a second low-resistance area 24 on the high-resistance Semiconductor crystal 1.
Die Dotierung in den niederohmigen Gebieten 4 und 24 beträgt beispielsweise 1021 P-Atome pro Kubikzentimeter.The doping in the low-resistance areas 4 and 24 is for example 1021 P atoms per cubic centimeter.
Danach wird, z.B. wieder durch einen Photoprozessj in der Deckschicht 3 innerhalb der Öffnung in der Isolierschicht 2 eine Öffnung erzeugt, die um wenig, z.B. 10 bis 20 % in den linearen Abmessungen, kleiner ist als die öffnung in der Isolierschicht 2 und die 35/um Durchmesser aufweist.Thereafter, e.g. again by a photo process, in the top layer 3 creates an opening within the opening in the insulating layer 2, which by little, e.g. 10 to 20% in the linear dimensions, smaller than the opening in the Insulating layer 2 and which has 35 / µm in diameter.
In dieser Phase des Herstellungsprozesses kann zwischen einem an die Zone 4 und an die ihr entsprechende Zone 24 herangebrachten Kontakt der Widerstand gemessen und gegebenenfalls durch Nachdiffundieren an einen gewünschten Wert von z.B.At this stage of the manufacturing process, you can choose between a Zone 4 and the contact brought up to it corresponding to zone 24, the resistor measured and, if necessary, by post-diffusion to a desired value of e.g.
1000 Ohm herangebracht werden.1000 ohms can be brought up.
Die Phosphorglasschicht 3 ist weiter mit einer Schutzschicht 5, z.B. aus Siliziumnitrid Si3N4, das in einem Plasmaverfahren in einer Dicke von 0,2/um aufgebracht wurde, bedeckt. In diese Schutzschicht 5 ist konzentrisch zur Öffnung in der Isolierschicht 2 eine bis zum Halbleiterkristall 1 reichende öffnung angebracht mit einem Durchmesser, der etwas, z.B. 10 bis 20 % in den linearen Abmessungen, kleiner ist als die öffnung in der Deckschicht 3 und einen Durchmesser von 31/um besitzt.The phosphor glass layer 3 is further covered with a protective layer 5, e.g. made of silicon nitride Si3N4, which in one Plasma process in one Thickness of 0.2 / µm was applied. In this protective layer 5 is concentric to the opening in the insulating layer 2 a reaching up to the semiconductor crystal 1 Orifice attached with a diameter slightly, e.g. 10 to 20% in the linear Dimensions, is smaller than the opening in the cover layer 3 and a diameter of 31 / um.
Auf der Schutzschicht 5 ist eine Metallisierung angebracht, die aus zwei in der Figur nur durch Striche angedeuteten Schichten 6 aus Wolfram und 7 aus Titan von je 0,1 bis 0,5/um Dicke besteht, die zusammen eine Wolfram-Titan-Legierungsschicht bilden. Eine entsprechende Schicht 26 aus Wolfram und 27 aus Titan ist auf der Rückseite des Kristalles 1 angebracht. Die Wolfram-Schicht kann auch weggelassen werden, so daß nur eine Titanschicht 7 bzw. 27 angebracht wird.On the protective layer 5, a metallization is applied, which consists of two layers 6 of tungsten and 7, indicated only by lines in the figure Titanium of 0.1 to 0.5 / µm thickness is made up, which together form a tungsten-titanium alloy layer form. A corresponding layer 26 made of tungsten and 27 made of titanium is on the back 1 crystal attached. The tungsten layer can also be omitted, so that only one titanium layer 7 or 27 is attached.
Schließlich ist auf der Titanschicht 7 bzw. 27 eine Silberschicht 8 bzw. 28 angebracht in einer Dicke von z.B. 0,6/um.Finally, there is a silver layer on the titanium layer 7 or 27 8 or 28 applied in a thickness of e.g. 0.6 / µm.
Wenigstens eine der Metallisierungsschichten 6, 7 und 8 kann im Sputter-Verfahren aufgetragen sein. Auf der Silberschicht 8 ist eine Verdickung 9 angebracht; diese hat einen Durchmesser von 300/um, so daß sie einen großen Teil der Oberfläche bedeckt. Sie kann in einem galvanischen Verfahren auf eine gewünschte Dicke von 25/um gebracht sein.At least one of the metallization layers 6, 7 and 8 can be sputtered be applied. A thickening 9 is applied to the silver layer 8; these has a diameter of 300 µm, so that it covers a large part of the surface. It can be brought to a desired thickness of 25 μm in a galvanic process be.
Vorher kann der Teil der Wolfram-, Titan- und Silberschichten 6, 7, 8, der über die vorgesehene Verdickung 9 hinausreichen würde, entfernt sein.Before that, the part of the tungsten, titanium and silver layers 6, 7, 8, which would extend beyond the intended thickening 9, be removed.
Der ausnutzbare Temperaturbereich wächst mit dem hindurchfließenden Strom. Zweckmäßig beträgt am ersten niederohmigen Gebiet 4 die Stromdichte 1 bis 10/uA//um2. Bei einem Lochdurchmesser von 30 um und einem Strom von 1 mA erhält man ca. 1,4/tA//wm .The usable temperature range grows with the flowing through it Current. The current density is expediently 1 to in the first low-resistance region 4 10 / uA // at2. Obtained at a hole diameter of 30 µm and a current of 1 mA one approx. 1.4 / tA // wm.
Ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung kann vorzugsweise als temperaturabhängiger Widerstand Verwendung finden, wobei die Verdickung 9 mit dem positiven Pol zu verbinden ist. Da infolge des erfindungsgemäßen Aufbaues der Einfluß der Eigenleitung wenigstens in der einen Stromrichtung wesept lich reduziert ist, kann ein derartiges Halbleiterbauelement auch für andere Anwendungen bei höheren Temperaturen, z.B.A semiconductor component according to the invention can preferably be used as find temperature-dependent resistance use, the thickening 9 with the is to connect positive pole. As a result of the structure according to the invention, the influence the intrinsic conduction is significantly reduced in at least one flow direction, Such a semiconductor component can also be used for other applications at higher Temperatures, e.g.
als Diode, benutzt werden.as a diode.
Das fertige Bauelement kann in ein Glas#gehäuse eingeschlossen und durch Druckkontaktierung an der Verdickung 9 und der Schicht 28 mit Zuleitungen verbunden werden.The finished component can be enclosed in a glass housing and by pressure contacting on the thickening 9 and the layer 28 with leads get connected.
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- 1980-11-06 DE DE19803041818 patent/DE3041818A1/en active Granted
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